金沙水电站泄洪消能设计研究

沈晓明 赵鲲鹏 张琛

摘要：金沙水电站具有大流量、低水头、高淹没度的特点。为了尽量使泄洪水流与下游平顺衔接，减少对枢纽其他建筑物的影响， 便于调度运行管理，工程采用表孔泄洪、底流消能型式。结合导流建筑物的布置，泄洪消能建筑物被纵向围堰分成两区布置。表孔闸墩末端设置宽尾墩，可将泄洪水跃推出闸室。设计方案经水工模型试验验证，能较好地满足金沙水电站泄洪消能要求。

关键词：泄洪消能; 表孔; 底流消能; 宽尾墩; 金沙水电站

中图法分类号：TV653 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.005

文章编号：1006 - 0081（2022）03 - 0019 - 04

0 引 言

“低水头、大流量、大单宽”河床式水电站泄洪消能特点是闸下跃前水流的弗式数较低、消力池内水垫较深、水流下泄后下游水位对闸室水流和消力池内水流流态影响较大[1]。为解决此类泄洪消能问题，银盘水电站泄洪消能布置考虑通航、发电和施工导流等因素的影响，采用了“面流+底流”的消能型式[2]。里底水电站泄洪建筑物下游河床抗冲刷能力较弱，为避免冲刷带来的不利后果，采用了“底流+宽尾墩”的消能型式[3]。枕头坝水电站采用直立消力坎的泄洪消能方案[4]。通口水电站采用宽尾墩加跌坎和戽式消力池的泄洪消能方式[5]。金沙水电站泄洪流量大、水头低，下游淹没度大，泄洪时水跃基本发生在表孔闸室内部，通过泄洪消能建筑物设计，将水跃推出闸室，有效解决了低水头、高淹没度水电站泄洪消能的相应问题。

1 工程概况

金沙水电站位于长江金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，坝址处多年平均流量1 870 m3/s，年径流量590亿m3。工程等别为Ⅱ等，校核洪水标准为1 000 a一遇，相应洪峰流量18 000 m3/s，设计洪水标准为100 a一遇，相应洪峰流量14 200 m3/s，消能防冲设计洪水标准为50 a一遇，相应洪峰流量11 700 m3/s（考虑观音岩水电站调蓄）[6]。

金沙水电站为上游观音岩水电站的反调节梯级，水库无防洪库容，不承担下游防洪任务。水库正常蓄水位1 022.00 m，死水位1 020.00 m，校核洪水位1 025.30 m，总库容1.08亿m3。当入库洪水标准不超过核洪水时，按入库流量下泄;当发生超校核标准洪水时，按枢纽泄流能力下泄。

2 泄洪消能建筑物布置

2.1 布置原则

金沙水电站泄洪流量大、水头低，坝址区河谷宽缓，结合地形地质条件及泄洪消能特点，泄洪消能建筑物布置原则如下：① 宜优先选择超泄能力强的泄洪表孔，并尽量布置于坝身;② 应使泄洪水流与下游平顺衔接，减少对枢纽其他建筑物的影响;③ 便于调度运行管理，确保泄洪建筑物运行安全;④ 泄洪设施的技术难度控制在国内外已有技术水平之内。

2.2 堰顶高程和孔数比较

根据金沙水电站“大流量、低水头、高淹没度”的工程特点，参考国内已建成的同等规模工程设计经验[7-8]，该工程泄洪建筑物采用全表孔泄洪的型式，孔口单宽泄流能力控制在200～300 m3/（s·m）之间，相应溢流前缘净宽约60～90 m。

拟定998.00 ，999.00 m和1 000.00 m三种堰顶高程，对表孔数量及尺寸进行比较。考虑到弧形闸门的单门静水压力不宜太大，表孔选用5孔或6孔。金沙水电站河床及左岸布置河床式电站，右岸布置导流明渠和纵向围堰，厂房坝段总长约232 m，而坝址正常蓄水位1 022.00 m处河谷宽度仅200 m。为减少两岸山体开挖，降低边坡开挖高度及支护难度，节约工程投资，在满足泄流能力要求的条件下，经综合比选，选定5孔表孔，堰顶高程999.00 m，孔口尺寸为14.5 m×23.0 m（宽×高），正常运用工况下弧门单侧支铰推力26 504 kN。

2.3 布置方案

综合考虑泄洪建筑物布置及泄流能力要求，并结合消能区的地质条件，金沙水电站在坝身布置5孔泄洪表孔。结合导流建筑物的布置，表孔分两区布置，纵向围堰坝段以左布置3孔，以右导流明渠内布置2孔。

消能型式均采用底流消能，布置下挖式消力池，底板高程988.00 m，消力池長90.0 m，底板厚3.0 m。表孔和消力池结构如图1和图2所示。

3 泄洪消能建筑物设计

3.1 表孔体型设计

表孔堰面曲线采用流量系数大、超泄能力强的开敞式WES实用堰面曲线。堰顶高程999.00 m，堰顶最大水头26.30 m，取定型设计水头Hd=20 m。表孔上游面直立，堰头为1/4椭圆曲线，曲线方程为x2/72+（4-y）2/42=1。堰顶下游采用WES幂曲线，曲线方程y=0.039x1.85，下接10.65 m长直线段，末端采用反弧段与下游底流消能消力池底板平顺相接，反弧段半径R=70 m，反弧段末端高程为988.00 m。溢流堰顺水流向总长51.23 m。

表孔净宽14.5 m，跨横缝布置，中墩厚5.5 m。为减少溢流前缘宽度，取消纵向围堰两侧表孔的边墩，将纵向围堰和两侧表孔边墩结合，纵向围堰坝身段闸墩宽18.0 m。闸墩墩头采用半径为2.0 m的圆弧形，顶高程1 027.00 m，顺水流方向最大长度61.83 m。表孔闸墩末端设置收缩比为0.5的“Y型”宽尾墩，宽尾墩长9.5 m，其竖直段顶高程为996.00 m，最高点高程为999.00 m。

每个表孔均设一道事故检修门槽和一扇弧形工作门，事故检修门由坝顶门机启闭，弧形工作门由设在坝顶上的液压启闭机启闭。

3.2 表孔水力设计

表孔泄流能力按NB/T 35026-2014《混凝土重力坝设计规范》[9]附录C公式计算，5个表孔总泄流能力计算成果见表1，枢纽调洪演算成果见表2。由表1可知，表孔泄流能力满足要求。

3.3 消能防冲水力设计

表孔下游采用底流消能，消力池底板高程988.00 m，池长90.0 m。明渠消力池末端不设置尾坎;为防止下游河道内的推移质回流至消力池内造成磨损，河床消力池末端设置高4.0 m的尾坎，坎顶高程992.00 m。

5孔表孔全开时，等宽矩形断面消力池水跃消能计算按DL/T 5166-2002《溢洪道设计规范》[10]附录A.6公式进行计算。对于常遇小流量泄洪局部孔口开启时，按扩散水跃进行消能计算，参照NB/T 35023-2014《水闸设计规范》[11]附录B.0.1 公式。

各级流量情况下消力池内底流水跃消能计算成果见表3。计算表明：主要泄洪工况下消力池内均产生淹没水跃，消力池底高程988.00 m、池长90.0 m是合适的。

3.4 消能防冲结构设计

消力池护坦厚3.0 m，采用C30混凝土，底板一次整块浇筑施工。消力池底板设置永久性纵、横伸缩缝，缝面均设置键槽，护坦标准分块尺寸10 m×10 m。为防止泄洪水流进入结构缝导致护坦破坏，在底板的纵横结构缝内均设置一道紫铜止水。

为保证下泄水流出消力池后出流顺畅并提高下游的抗冲刷能力，将河床3孔消力池下游一定范围开挖至高程988.00 m后与天然河床平顺连接。河床消力池尾坎后采用大块石防冲护底。开挖后，高程988.00 m的大部分区域正长岩出露，抗冲刷能力较强，仅左区靠厂坝导墙侧河床覆盖层较深，清除覆盖层后回填混凝土至高程988.00 m。

4 水工模型试验研究

可行性研究阶段开展了表孔1∶67.5水工断面模型试验[12]和枢纽布置1∶100水工整体模型试验[13]。断面模型试验重点研究了不同消力池底板高程、不同尾坎高度、闸墩末端是否设置宽尾墩等内容，整体模型试验针对断面模型推荐的体型方案进行了研究。

4.1 宽尾墩体型研究

由于金沙水电站泄洪水头较低，下游淹没度大，泄洪时水跃基本发生在表孔闸室内部，为了将水跃推出闸室，断面模型试验研究了在闸墩末端设置宽尾墩。通过对收缩比为0.4，0.5和0.6的宽尾墩体型的对比研究，从泄流能力、流态、下游冲刷等方面综合比较，推荐收缩比为0.5的“Y型”宽尾墩。闸墩末端设置宽尾墩后，各工况下的水跃跃首基本被推出闸室，未发现水花触及弧门支座的现象，且水流出消力池后与下游水流衔接平顺。同时，在小流量情况下消力池内未发生远驱水跃。

4.2 泄流能力比较

设计计算和模型试验泄流能力曲线比较见图3。在大坝设计库水位1 022.00 m和校核库水位1025.30 m时，设计计算表孔相应的流量分别为14 761 m3/s和18 000 m3/s，模型试验泄量分别为15 548 m3/s和19 255 m3/s，模型流量较设计流量分别大5.3%和6.9%，表孔泄流能力满足设计要求。

4.3 试验主要结论

（1） 模型试验泄流能力较设计计算值稍大，表孔泄流能力满足要求。

（2） 表孔堰面体型合理，坝面压力分布正常，无大的压力梯度。

（3） 闸墩末端宽尾墩收缩比为0.5的方案较为合适。

（4） 消能效果较好，消力池布置及池长取值合理。

5 结 语

（1） 金沙水电站泄洪消能建筑物采用“5表孔”的坝身泄洪、底流消能型式。结合导流建筑物的布置，泄洪消能建筑物被纵向围堰分成两区布置，布置方案较为简洁、合理。

（2） 表孔孔口尺寸14.5 m×23.0 m（宽×高），堰顶高程999.00 m。消力池底板高程988.00 m，池长90.0 m，末端设置高4.0 m的尾坎，设计方案经水工模型试验验证，较好地满足了金沙水电站泄洪消能要求。

（3） 表孔闸墩末端设置宽尾墩，成功将水跃跃首推出闸室，有效解决了低水头、高淹没度水电站泄洪消能的相应问题。研究所得成果可为同类工程泄洪消能设计提供参考。

参考文献：

[1] 王海云，戴光清，杨庆，等.低水头、大单宽流量泄洪消能方式研究[J].水力发电，2006，（8）：25-26，55.

[2] 杜俊慧，姜伯樂，李国勇，等.泄洪消能设计与试验研究[J].人民长江，2008，39（4）：31-33，96.

[3] 朱展博，李玉洁，卞全.里底水电站泄洪消能建筑物设计[J].西北水电，2020（增1）：49-53.

[4] 郭红民，丁磊，任云霞，等.枕头坝水电站泄洪消能试验研究[J].水电能源科学，2011，29（7）：71-73.

[5] 杨光伟.通口水电站泄洪消能布置设计[J]. 水电站设计，2010，26（4）：38-41.

[6] 长江勘测规划设计研究有限责任公司. 金沙江金沙水电站可行性研究报告[R]. 武汉： 长江勘测规划设计研究有限责任公司， 2016.

[7] 杜俊慧，向友国，李凤丽，等.乌江银盘水电站泄洪与消能设计[J]. 湖北水力发电，2006（4）：24-27，93.

[8] 吴晓红，程德虎. 彭水大坝泄洪消能设计研究[J]. 水力发电，2005，31（12）：39-41.

[9] NB/T 35026-2014 混凝土重力坝设计规范[S].

[10] DL/T 5166-2002 溢洪道设计规范[S].

[11] NB/T 35023-2014 水闸设计规范[S].

[12] 长江水利委员会长江科学院. 金沙水电站可行性研究阶段表孔断面模型试验研究报告[R]. 武汉：长江水利委员会长江科学院， 2012.

[13] 长江水利委员会长江科学院.金沙水电站泄洪消能1：100水工整体模型优化试验研究报告[R]. 武汉：长江水利委员会长江科学院， 2013.

（编辑：李 慧）

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